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电路板组装过程中可消除短路和开路故障的可测试性设计策略(上)

发布时间 :2017-08-16 10:09 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCBA部
测试是电路板设计制造的重要部份,随着零元件的小型化、产品的日渐复杂和上市时间的缩短,测试问题越来越复杂,电路板功能的扩大使得组装级别的评估及现场维护成为组装制程过程中的重要问题,本文介绍电路板可测试性设计的三个策略。
 
电子组装测试包括两种基本类型:裸板测试和加载测试。裸板测试是在完成线路板生产后进行,主要检查短路、开路、网表的导通性。在制程过程中还有许多其他的检查和验证方法。加载测试在组装制程完成后进行,它比裸板测试复杂。
 
组装阶段的测试包括:生产缺陷分析(MDA)、线上测试(ict)和功能测试(使产品在应用环境下工作)及其三者的组合。最近几年,组装测试还增加了自动光学检测(AOI)和自动X射线检测。它们可提供电路板的静态图像及不同平面上的X射线电路板的分层图像,从而确定虚焊及焊点桥接缺陷。
 
研究测试策略的目的在于,要找到适合某一种产品的必不可少的组合测试方案。在开始设计制程前,要定义实施所需测试的简单策略。在产品研发周期的早期考虑产品的可测性问题,而不是在后期考虑。这会大大降低从最初设计到终测的每个节点的测试成本,并获得较高的节点可测试性。图1: 给出了多种测试类型的例子,它们有不同的测试条件。
 
通常的测试有五种类型,它们主要的功能如下:
1. 裸板测试:检查未黏着零组件的电路板上的开路和短路缺陷;
2. 生产缺陷分析:检查已黏着零组件的电路板上焊点的短路和开路缺陷;
3. 线上测试:认证每个单个零组件的运作;
4. 功能测试:认证电路的功能模组的运作;
5. 组合测试:线上测试和功能测试的组合测试。
多种测试类型的实例,它们有不同的测试条件
 
图1显示了多种测试类型的实例,它们有不同的测试条件。
 
最佳的测试策略能确保正在执行的每一种测试确实可行。即使生产测试过程在研发周期开始时就已经很好地定义了,但是在设计完成以后,仍然可以改变。从一个已经成功地应用在数百个高密度的设计案例中的通用测试策略可以看到,它影响到以下各方面:
1. 元件通孔的布局要有策略性;
2. 要提供每个布线网路中每个节点的测试接触点;
3. 要接触到电路板两面的每个节点;
4. 网格基淮元件和通孔的布局;
5. 正确的测试焊盘形状和间距。
 
即使在最高密度的设计中,也仅当在设计周期的每个环节坚持测试策略时,才能实现对电路板的每个面、每种布线网路和每个节点的100%测试。要判断什么是最好的检测和测试策略?取决于检测制程的可行性、测试策略的经济性分析、产品的生命周期和进入市场的时间要求。
 
确定最佳测试策略的另一种方法是评估所有的检测制程以确定缺陷范围和测试成本。在产品进入市场之前,在设计环节中发现和解决存在的这些问题。
 
裸板测试
考虑到测试条件和日渐复杂的基片互联的测试需要,特别是测试过程涉及基片的电性能评估时,人们会遇到许多问题。为使生产商在充分保证基片互联电性能的前提下降低生产成本,用户将不得不用100%网表定义测试数据。
图2:许多故障经常是因相邻元件的管脚短路、元件管脚与电路板的外层导体短路或印刷电路板外层导体间的短路引起的,探针焊盘的测试点必须在栅格上以便于自动探针测试
图2:许多故障经常是因相邻元件的管脚短路、元件管脚与电路板的外层导体短路或印刷电路板外层导体间的短路引起的,探针焊盘的测试点必须在栅格上以便于自动探针测试
 
数据的相容性也是目前遇到的问题之一,人们期望藉由制定工业标淮在可预知的未来解决这些问题。过去,这方面的工作没有做得尽善尽美,例如:工业界向电路板生产商提供Gerber机器码,这种格式用于驱动光绘机及产生定义生产电路板的光图的光罩工具,它可以是单面、双面或多面光图。现有的软体工具可从Gerber图形中提取网表资讯。这种数据不包括零组件资讯,它仅定义了因机器码命令而存在的导电连接。关于数据格式的早期工业标淮是IPC-D-356。
 
该数据格式从CAD系统中提取网表资讯并将其转换成智慧机器码。许多测试仪能用这种码来确定与电路板的物理状况相对应的网表特性。由于裸板测试是在布线制程完成之后进行,裸板测试资讯是以IPC-D-356格式提供,并与单个零组件的管脚资讯相关。因此,根据IPC-D-356标淮测试的生产商可以提供诸如‘U12元件的16脚与U19元件的9脚短路’之类的资讯。
 
当然,裸板测试最需要的电子数据是CAD网表数据。许多公司不愿意与电路板生产商共享这些资讯,但这仍然是确定裸板性能是否满足CAD系统设计要求的最简洁的数据。人们期望电路板的三种格式的电子描述能相互一致,但在大多数情况下不是这样。存在这种描述上差异的原因有三点:
1. 仓促的更改;
2. 机器码数据和网表数据间的数据转换问题;
3. 软体实现上的问题。在任何情况下,数据相容性都相当重要。
 
使用夹具和针床的开路和短路测试也面临着挑战,电路板的日渐复杂,使它们不能满足电路测试要求。复杂性在于电路尺寸的减少和元件密度的提高。大多数电路板生产商使用的测试仪器包括单密度、双密度和四密度测试床。双密度测试床适于400毫米及其以上间距。当电路板密度超过400毫米间距时,必须考虑采用其它的技术。这类测试主要面对更多的阵列形封装,可以是BGA或列栅阵列,也可以是管脚相距更近的微间距BGA封装。
 
请记住,本节的主题是裸板测试。然而,为保证组装时各部份黏着正确,电路板生产商必须保证在各个阵列焊盘上每个布线网路的信号出入口与其相关的其他布线网路的信号出入口相连接,并消除短路故障。
 
四密度测试夹具在每平方厘米上可以有62根测试针,但人们担心探针接触会对电路板造成潜在的伤害。另外,双密度和四密度夹具的成本及整个测试仪器的成本较高,这使得要在预期的成本范围内调整整个测试覆盖变得非常困难,这种成本预期基于目前对电性能测试的理解和现有测试概念的线性预期。
测试探针周围的净空的取决于组装制程。探针周围净空必须保持为相邻元件高度的80%。
图3:测试探针周围的净空的取决于组装制程。探针周围净空必须保持为相邻元件高度的80%。
 
许多电路板生产商采用飞针测试(Flying probe Test)。采用这种仪器,每个布线网路可以被激励并藉由与邻近的布线网路相比较以建立开路和短路特性。
 
AOI 200-1000阵列产品的密度有多种栅格,很显然,双密度和四密度夹具能够进行裸板输入输出导通的一般性测试。然而,若元件是呈边到边堆迭(像用砖砌牆那样),用现有测试方法不能进行测试。电路板生产商多年来藉由转换镀金属层实现了与裸板双面的接触,进而建立完整的连通性。对于间距为1.0毫米的BGA来说,这种概念是不适用的,因为BGA封装在每平方厘米内有96个焊盘,而四密度测试夹具每平方厘米仅有62根测试针。
 
将元件展开排列会部份减少元件黏着的复杂程度,但这会佔据更多的空间降低电路性能。人们也可注意到,采用目前的测试技术,加大元件的输入输出埠密度大大增加了电路板的测试成本,因为要实现全覆盖需采用多通道或双夹具测试。
 
飞针测试取消了昂贵的夹具,其成本取决于生产的电路板数量,它是针床测试的备选及有效的低成本测试方案。不足在于其测试速度取决于选用的设备,速度相对较慢,而设备的价格较为昂贵。在测试高密度电路及另外的布线网路时,测试会变得较为复杂。
 
大多数的飞针测试设备的应用以及发展已经拓展到半导体工业领域之外,随着大尺寸电路板的出现,设备的机械结构面临许多挑战。相反,在某些场合小尺寸使测试系统难以适应测试的需要,因为改变小尺寸的飞针特性有困难。因此,为了满足未来复杂电路板加工的需要,将要研制对应的测试设备。
 
随着微通孔技术的发展和通孔尺寸的持续减小,传统的金相显微剖面评估方法将逐渐退出应用,因为孔径小于150微米的微通孔实际上限制了该方法的应用。
 
若想知道更多通孔的电镀和电气导通性情况,那就要求采用其它测试方法。一些公司采用了电互连应力测试来确定孔的完整性和可靠性,并将这些资讯与电路板生产商所需的开路和短路导通性资讯相关联。
 
除此之外还有阻抗控制测试、高电位测试及介质强度测试,显然,评估电路板应用适应性的条件将变得相当苛刻。


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